基于单片机和CPLD的压电喷墨头电压驱动电源的设计

摘 要：压电陶瓷喷墨头控制电源中，在单片机和CPLD的基础上，采用基于DDS原理产生的数字可控低压脉冲激励波形，经过集成运算放大器模块放大生成所需要的高压激励脉冲。介绍了单片机和CPLD的工作原理，阐述了系统的硬件设计及软件实现。该设计方案开发周期短，硬件连接简单，能够基本实现压电陶瓷喷墨头电源驱动。

关键词：驱动控制；单片机；CPLD；压电陶瓷

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.04.055

1 引言

压电陶瓷式喷墨头具有可控制，精度高等优点，对于数字喷墨印刷系统喷印质量的提升以及打印速度的加快具有重要意义。压电式喷墨头喷出的墨滴大小以及喷射速度和均匀性都会对喷印质量产生影响，压电陶瓷形变的大小和频率是决定输出墨滴性能的主要影响因素，而驱动电源输出激励脉冲电压的大小决定了压电陶瓷片的形变量；激励脉冲的频率影响着陶瓷片的形变速度，因此驱动电源的性能决定了喷墨的质量。本文设计的是基于单片机和CPLD的压电喷墨头驱动电源系统，其中单片机和CPLD是核心处理芯片，基于DDS原理产生的数字可控低压脉冲激励波形，经集成放大模块放大后以驱动。

2 驱动电源的硬件设计

该系统以宏晶科技生产的STC89C52RC单片机，Altera公司的MAX II系列的EPM240T100C5N CPLD芯片和基于DDS原理的波形生成电路为核心。图1是驱动电源控制系统结构框图。

在系统中，单片机作为主要控制器，基于DDS波形生成技术，由单片机和CPLD共同生成控制波形。单片机与计算机系统连接以实现数据通讯，CPLD和DAC在单片机控制下生成低压的激励脉冲，经过二阶有源低通滤波器滤波后，由PA84放大器将其脉冲放大，按照时序控制要求将高压脉冲传送到喷头接口芯片控制喷头工作。

2.1 STC89C52RC单片机和EPM240T100C5N CPLD

选用STC89C52RC单片机作为系统核心控制元件，其处理和存储能力强，运行速度快，可为控制系统提供良好的硬件平台。STC89C52RC单片机是基于8051的内核发展起来的，主要特性是加密性强不可解密；超强的抗干扰技术；功耗低；具有ISC在线编辑功能。

EPM240T100C5N CPLD芯片具有192个逻辑宏单元，可以满足我们的开发要求；每一个芯片都内置8Kb的Flash存储器，其中配置数据在存储器内部，可进行在线编辑，使得当整个硬件系统设计完成后，计算机还可以通过ISP接口对CPLD进行重新配置。

2.2 基于DDS原理的波形生成电路

DDS指的是直接数字频率合成技术。DDS具有超高频率的分辨率；可以根据不同的波形数据形成任意波形。基于DDS原理，使用CPLD进行电路设计的波形生成电路是驱动电源的核心。图2所示DDS的波形发生电路。由单片机向波形生成电路提供频率控制字K，通过在一定的范围内改变K的大小，进而改变脉冲频率的大小。CPLD模块生成地址累加器，通过频率控制字K的变化来改变地址。程序存储器ROM是用来储存波形数据的波形存储器，ROM中存储着波形的查找表，查找表中的对应地址随着K值的变化而变化，查找表将地址信息所对应的波形幅度信息传送到数模转换芯片，DAC就可以将CPLD所生成的波形数据转化成模拟波形，之后再经过滤波生成低压的激励脉冲。

3 系统硬件设计与实现

为了获取满足喷墨头工作要求的激励脉冲，需要设计完整的驱动电源硬件。驱动电源硬件系统包括单片机控制单元；波形生成单元；振幅控制单元；液晶显示单元；滤波单元；高压放大单元；串口转换单元；喷墨头的接口单元。前七个单元组合是为了实现振幅频率数字可控的高压激励脉冲的输出；最后一个单元可以完成数据信号与高压脉冲激励的匹配，处理有关于激励脉冲的电信号；喷墨头喷嘴的时序控制。单片机与计算机系统连接以实现数据通讯，主控电路由单片机控制CPLD和DAC生成低压的激励脉冲，低压脉冲经过二阶有源低通滤波器进行滤波后，由PA84放大器将其高压线性放大成高压脉冲，并送至喷头驱动芯片，由驱动芯片控制喷墨头的工作。

4 系统软件设计与仿真

驱动电源的软件设计包括在KeliuVison4中使用C语言对单片机的控制；在QuartusII环境中使用硬件描述语言VHDL对CPLD进行控制，以及使用Matlab软件对CPLD进行数字波形的仿真。

4.1 单片机C语言主程序

单片机程序包含在头文件#include中，其中包括了单片机的寄存器定义，引脚定义等功能。初始化程序void init（）包括变量和常量的幅值和初值定义；定时中断的初始化；串口初始化和液晶初始化。液晶显示函数void display（）是为了在LCD1602显示振幅和频率。主程序void main（）是函数的主体。定时中断函数是为了精准的定位。

4.2 基于VHDL语言的程序流程

图3为VHDL生成梯形波的程序图。在使能端有效时，程序执行。当需要的信号都有效时，累加器工作，累加器判断是否达到规定值M，如果达到，计数值清零，如果没有，则计数值加上步长K。之后ROM表根据累加器的值对应给出波形数据，并将其传送到寄存器中，在下一个数据到来时将数据输出到DAC。

4.3 使用Matlab软件对CPLD进行数字波形的仿真。

由于QuartusII进行功能仿真后形成的波形不易看出波形的形状，所以使用Matlab语言将仿真结果转换成Matlab中的波形曲线。利用QuartusII的表格文件（.tbl文件）仿真，即在功能仿真结束时，将波形文件另存为.tbl文件，然后再使用Matlab编写程序进行调用。

5 结束语

本文介绍了基于DDS原理，在单片机和CPLD的基础上的压电陶瓷喷墨头电压驱动电源系统，该设计方案开发周期短，硬件连接简单，可控行比较好，能够基本实现压电陶瓷喷墨头电源驱动。

参考文献：

[1]KIMD W，BOURIM E M.JEONG S H，et al.Piezoelectric electron emissions and domain inversion of LiNbNO single crystals [J]，physical B：2004，352（1-4）：200-205.

[2]Herman wijsboff.The dynamics of the piezo inkjet printhead operation [J].Physics Report，2010（491）：77-177.

[3]高宝彤.大幅面打印机接口与喷头驱动单元设计[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[4]杜晓兰，吴宝明，王强.PA系列高压功率放大器在医学仪器设计和应用中须注意的几个问题[J].医疗卫生装备，2004（06）：83-84.

[5]张一和.例说51单片[M].北京：人民邮电出版社，2008：2-23.

[6]O昊.基于FPGA的DDS信号源设计[D].成都市：电子科技大学，2009：54-70.